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多路组合换向阀卸荷性能分析及卸荷阀设计
 
慧聪网   2005年12月21日11时25分   信息来源:慧聪网水工业行业频道    

    摘要:分析了工程上常用的多路组合换向阀卸荷性能特点,并扼要地介绍了工程上广泛应用的卸荷阀设计方法。 

    关键词:多路组合换向阀;卸荷性能;卸荷阀设计 

    引言 

    多路组合换向阀,由于结构紧凑,便于集中操纵,油路短,压力损失小等优点,在农业机械、工程机械多执行元件的液压系统中广为应用.多路组合换向阀又经常与单向阀、液控单向阀、安全阀等组为一体,因此除了其换向功能之外,还具有使系统限压、卸荷、执行元件的锁位等功能,特别是卸荷功能尤为重要.在农业机械中,特别是联合收割机中,普遍使用多路组合换向阀,各执行元件间断工作,液压系统经常处于卸荷状态,卸荷性能的好坏对系统影响较大,如果卸荷压力高,能量损失大,系统温度升高,甚至使系统不能正常工作.因此有必要对其卸荷性能进行分析,并合理地设计卸荷阀. 

    1、卸荷性能分析 

    多路组合换向阀的卸荷方式大体分以下几种. 

    1.1 贯穿式卸荷 

    如图1a所示,卸荷通道和压力阀分别设立.卸荷时,各联阀芯均处于中立位置,油源来油经一条专用的贯穿各路阀的油道卸回油箱,卸荷油道贯穿各路换向阀.当其中任一路阀工作时(即把此卸荷油道切断).油源来油就从该路换向阀进入所控制的执行元件,工作压力大小由图中压力阀限定.采用该种卸荷方式优点是换向阀阀杆从中立位置→工作位置的移动过程中,卸荷油道是逐渐被关闭的,进入执行元件的油量逐渐增加,系统压力逐渐升高,执行元件启动平稳,无冲击,而且有一定调速性能,压力阀结构简单.其缺点是卸荷油道长,压力损失大,尤其换向阀路数多时,弊端更为突出,该种卸荷方式多用于路数较少的场合.

图1  多路组合换向阀卸荷原理图

图1  多路组合换向阀卸荷原理图

    1.2 卸荷阀式卸荷 

    该种卸荷方式又分两种 

    1.2.1 贯穿控制式卸荷阀卸荷 

    图1b所示,卸荷阀和安全阀为一体,组成先导式压力阀,该阀即是卸荷阀又是安全阀,有时又是溢流阀.卸荷时其控制油道贯穿各路换向阀,同前述卸荷油道.当各路换向阀处于中立位置时,卸荷阀的控制油道(见图1b和图2)贯穿各路换向阀并与油箱连通.卸荷时,大部分油液卸荷,通道短,压力损失低.任一路阀换向工作,便切断控制油道,油源来油就从换向阀进入执行元件工作,其工作压力大小由导阀控制.此时系统压力为导阀调整压力.该种卸荷方式,既使换向阀路数增加,只是控制油道增加,卸荷压力增加不大,始终保持较低卸荷压力,此种卸荷方式多用于手动换向阀,卸荷可靠. 

    1.2.2 电磁阀控制式卸荷阀卸荷 

    该种卸荷方式与前种不同点是其控制油道与油箱通断与否,由电磁阀控制,见图1c,卸荷油道短,卸荷时压力损失低,又便于自动控制,但卸荷的可靠性低,多用于电磁多路阀的场合. 

    2、卸荷阀的设计 

    工程上使用多路组合换向阀,就目前来看多为手动式,其卸荷方式多采用贯穿控制式卸荷阀卸荷,卸荷阀经常采用图2的结构形式,下面简要介绍一下其设计方法. 

    2.1 主阀结构形式的选择 

    卸荷阀(又是安全阀)的主阀按配合形式不同可分为三级同心、二级同心和滑阀式三类.其中滑阀式结构工作压力低,控制压力精度不高;三级同心结构虽成熟,目前应用较广,但与二级同心式比较,不及二级同心式动作灵敏,规格相同,行程相同时,二级同心结构的通油能力远大于三级同心结构;二级同心式控制压力稳定,加工工艺性好,二级同心式应用前景广阔,这里以二级同心结构为例如图2,讨论其结构尺寸设计方法.

图 2  卸荷阀结构原理图

图 2  卸荷阀结构原理图

    2.2 主要结构尺寸的确定 

    2.2.1 阀的通径D0 

    通径D0也是整个多路阀的进口直径,D0取的大,阀的结构尺寸就大,不经济,D0取的小,油液流动不通畅,压力损失大,容易发热.应使多路阀通过额定流量时其油液流速不超过允许值,即:

多路组合换向阀公式

    因此

多路组合换向阀公式

    式中  Vn―通过阀额定流量时的液流速度 (m/s); 

    Qn― 通过阀的额定的流量 (m3/s); 

    [Vn]― 液流进入阀口时允许流速 (m/s), 一般取为3m/s~6m/s. 

    2.2.2 主阀座孔直径D2 

    适当增大D2有利于提高阀的灵敏度,但过大会使阀不易稳定,一般先根据经验公式确定主阀阀芯过流部分的直径D1,然后决定D2根据经验公式取

多路组合换向阀公式

多路组合换向阀公式

    2.2.3 主阀芯大直径D 

    根据一般资料和经验可知,适当增加主阀芯大端直径D,可以提高阀的灵敏度,降低阀的压力超调量,可提高阀的开启压力,保证阀工作稳定,不过,D值过大,将使阀的结构尺寸和阀芯质量加大,主阀上腔容积增加,导致动态过程时间延长, 太小又保证不了静态特性要求,一般应保证:

多路组合换向阀公式(5)

    2.2.4 主阀芯半锥角α1 

    主阀芯半锥角α1越大,则流量增益越大,有利定压精度提高,但锥角越大,则阀座的接触支反力越小,这对密封性不利,一般取

多路组合换向阀公式

    根据资料[1][2],为保证阀芯关闭的密封性,把阀座也做成一定锥角,设其半锥角为φ,并使φ-α13.5° 

    2.2.5 主阀芯阻尼孔d0 及长度l0 

    主阀芯上阻尼孔d0 越小,其长度l0越长,则节流与阻尼作用越显著,阀的启闭特性好,动态稳定性好,但阀芯动作滞后大,灵敏度降低,增加了动态压力超调量,且易堵塞、工艺性也不好,一般根据经验取

多路组合换向阀公式

多路组合换向阀公式

    额定流量大时取大值. 

    2.2.6 主阀芯最大升程hmax 

    主阀芯最大升程hmax可根据通过阀口的流量公式得

多路组合换向阀公式(9) 

    式中: C1--主阀口的流量系数(无因次),图2结构可取C1=0.78 

    ρ―油液密度,取850-900 kg/m3 

    Px― 卸荷压力,通常取Px=(0.2~0.5)MPa 

    2.2.7 主阀芯导向长度l 

    增大主阀芯导向长度l,有利主阀芯工作稳定,减少啸叫和压力振摆,但过大,结构尺寸增加.建议l1.2D 

    2.2.8 导阀芯半锥角α2 

    导阀要求有良好的密封性,而且导阀流量增益太大对稳定性不利,故一般导阀半锥角α2取为20°. 

    2.2.9 导阀座孔径d,d1 

    导阀座孔直径d大,导阀芯工作稳定性好,则导阀弹簧力加大,结构尺寸增大,一般取d=(2~5)d0;另外,d1对导阀动态特性影响较大,为使阻尼也起正常作用,设计中保证d>d1> d0. 

    2.2.10 主阀弹簧的予压量h1 

    根据经验公式取

多路组合换向阀公式

    2.2.11 主阀弹簧刚度Ky 

    当主阀欲开未开时,根据主阀受力关系(忽略摩擦力、阀芯自重等因素)

多路组合换向阀公式

    式中:A1,A2 分别为主阀芯下、上腔承压面积(m2);  p1Q ,p2Q 分别为主阀欲开未开时,下、上腔油压力(Pa) 

    为了使所设计的卸荷阀具有良好的启闭特性,可取

多路组合换向阀公式

    式中:P1n --导阀调整的额定压力

多路组合换向阀公式

    式中:Q20―当主阀欲开未开时导阀的溢流量(m3/s)通常取 Q20=(0.01~0.02)Qn (m3/s) 

    C2―导阀口流量系数,通常取C2=0.78 

    a ―主阀芯阻尼孔断面面积(m2) 

    2.2.12 导阀弹簧予压量x10和刚度Kx 

    可根据导阀欲开未开时导阀芯受力关系导出:

多路组合换向阀公式

    根据经验:

多路组合换向阀公式

多路组合换向阀公式

    式中:x1 ― 为主阀欲开未开时导阀开启量.由(14),(15),(16)可确定x10和Kx值. 

    3、关于卸荷阀啸叫与压力振摆的讨论 

    图2所示的卸荷阀同一般先导式溢流阀结构原理一样,在调试过程中,也存在啸叫与压力振摆现象.根据有关资料[3]介绍,产生压力振摆主要原因: 

    1)主阀芯导向长度太短,主阀芯工作中不稳; 

    2)导阀的控制油路不应由主阀上腔引出,该处压力在主阀工作中就是变化的,随流量变化而变化,必然引起压力摆动; 

    3)导阀芯处于悬空状态,工作中要偏移,导阀口径向间隙不均,必然产生啸叫和振动. 减少啸叫和压力振摆方法,应保证零部件加工装配质量和合理的结构参数,适当加长主阀芯导向长度,使导阀芯加上导向支承. 

    作者简介:王丽梅,女,1945年10月出生,1987年毕业于佳木斯工学院大学机械制造专业,现任佳木斯液压件厂工程师。 

    参考文献 

    1、何存兴.液压元件.北京:机械工业出版社 

    2、曾祥荣等.液压传动.北京:国防工业出版社 

    3、周维科等.DB型先导式溢流阀啸叫问题的试验研究,机床与液压.1998(5)

 
作者:佳木斯大学 王丽梅 刘宝田 关忠杰 
 
 
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